一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置

1.本实用新型属于物理实验测量设备技术领域，特别是涉及一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置。


背景技术：

2.科技不断发展，实验中对于测量仪器的精度、准确度和使用方法的要求越来越高，实验室等科研教学研究场所对测量精准度的要求也不断提高。对于原来传统测量方法的检测提出了挑战，促进测量仪器进一步改进发展，提高灵敏度和精确度。
3.传统测量摩擦力方法是通过弹簧测力计拉动物体在木板上运动。这个过程中很难做到使物体达到匀速状态，刚开始物体不动，当物体被拉动的瞬间，所得的拉力是大于摩擦力的；而在拉动过程中弹簧测力计的指针会不断跳动，给读数带来很大的麻烦。而改进实验操作方法通过拉动木板而保证物体受力平衡的方法虽然能够减小因不能保证物体做匀速运动所带来的误差，但仍需肉眼读数，会因读数不准确而产生误差。且在物理实验中，对于摩擦系数值的问题一直都无详细注解，仅以已知量的形式作为求解其他物理量的中间参数。此款装置解决了测量摩擦力系数数值的问题。另外，传统的测量方法费时费力，其安装与保存需要消耗巨大的空间与物力。这时，一款可活动范围广，续航时间长，方便携带，使用以及维护方便的设备显得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置。本装置测量精准，可在很大程度上降低因不能保证使物体匀速直线运动和读数时的不准确性带来的误差。
5.本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：
6.一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，包括主控单元、传感器单元、动力单元、显示单元和外部封装单元；
7.所述传感器单元包括拉力传感器单元和重力传感器单元；
8.所述主控单元的输入端分别与拉力传感器单元、重力传感器单元、动力单元以及显示单元之间通过电信号连接，用于对整个装置进行控制；
9.所述拉力传感器单元能够测得拉力大小，也就是摩擦力的大小；
10.所述重力传感器单元能够得到物体质量值；
11.所述显示单元通过杜邦线与拉力传感器单元、重力传感器单元和主控单元连接，显示出摩擦力大小及摩擦系数；
12.所述动力单元由圆形转轮与舵机相连而成，所述圆形转轮是由激光切割两片半径相同和一片半径较小的圆形亚克力板相固定而成，所述一个半径较大圆形亚克力板中心切割出十字型镂空用于连接舵机舵盘；所述圆形转轮与舵机相连，舵机两侧均安装一片激光切割直角梯形亚克力板作为支撑杆固定；
13.所述外部封装单元包括方形外观，所述方形外观是由亚克力板拼接和铜柱立体固定而成，上置显示单元和动力单元；所有的所述支撑杆底端共同固定有支撑平台，所述支撑平台下端面安装有主控单元、拉力传感器单元、重力传感器单元和电池箱。
14.优选的，所述主控单元为arduino单片机，所述arduino单片机固定于下层亚克力板上方。
15.优选的，所述拉力传感器单元包括拉力传感器，通过hx711转换器与arduino单片机相连，记录物体所受摩擦力数据。
16.优选的，所述重力传感器单元设有重力传感器，所述重力传感器嵌于上层亚克力板并通过hx711转换器与arduino单片机相连，记录物体重力数据。
17.优选的，所述显示单元设置oled显示屏,三行数据分别显示重力数据、摩擦力数据以及摩擦力系数数据。
18.本实用新型具有以下有益效果：
19.测量摩擦力所应用到的牛顿第三定律前提是保持物体做匀速直线运动。摩擦力测量装置内部通过arduino单片机驱动舵机，使与舵机连接的转轮能够保持匀速转动，通过细线与物体相连，保证了物体的匀速运动，达到了测量标准。其次在测量仪内部加置拉力传感器，通过对其编译使其能够通过显示屏直接显示出摩擦力的测量值。相较于传统的手动拉动弹簧测力计而言，更加准确的保证了应用牛顿第三定律测量摩擦力的前提条件；增添重力传感器，读取并记录物体重量数据，通过开关对单片机进行控制使其显示屏能在得到摩擦力数值时直接显示出物体表面摩擦力系数值。拉力传感器能够直接测出摩擦力的大小值，通过显示屏直接显示出摩擦力数据，避免了传统实验中读数带来的误差。为了能够更好的将拉力传感器、舵机和物体相连接，我们采用了定滑轮定理的应用，将拉力传感器看作是一个定滑轮，通过细线将物体与舵机驱动的转轮相连接，通过调用arduino单片机内置例程与拉力传感器作业，最后使得显示屏输出的拉力值等于实际传感器测量值的一半，也就是等于拉动物体的拉力，即物体受到的摩擦力值。为减少驶入信号的原始误差传出所产生的误差并且还要保证高分辨率。保证转换器的精度与所测量装置的精度相匹配。我们选择hx711，提高了整机的性能和可靠性。自动化的测量可直接精确的反应出测量数据，便捷省时省力不同。摩擦力测量装置可以满足大多数普通使用者的需求，如同初中高中等教学实验室，一些科技馆，作为物理知识普及器材，一些科研场所，辅助科研人员完成相应研究。
附图说明
20.图1是本实用新型整体结构示意图；
21.图2是本实用新型电路运行原理示意图；
22.图3是本实用新型模型示意图。
23.1.oled显示屏，2.拉力传感器，3.圆形转轮，4.舵机，5.铜柱，6.重力传感器，7.hx711转换器，8.arduino单片机，9.电池。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
25.请参阅图1-3所示，一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，包括主控单元、传感器单元、动力单元、显示单元和外部封装单元；
26.所述传感器单元包括拉力传感器单元和重力传感器单元；
27.所述主控单元的输入端分别与拉力传感器单元、重力传感器单元、动力单元以及显示单元之间通过电信号连接，用于对整个装置进行控制；
28.所述拉力传感器单元能够测得拉力大小，也就是摩擦力的大小；
29.所述重力传感器单元能够得到物体质量值；
30.所述显示单元通过杜邦线与拉力传感器单元、重力传感器单元和主控单元连接，显示出摩擦力大小及摩擦系数；
31.所述动力单元由圆形转轮3与舵机4相连而成，所述圆形转轮3是由激光切割两片半径相同和一片半径较小的圆形亚克力板相固定而成，所述一个半径较大圆形亚克力板中心切割出十字型镂空用于连接舵机4舵盘；所述圆形转轮3与舵机4相连，舵机4两侧均安装一片激光切割直角梯形亚克力板作为支撑杆固定；
32.所述外部封装单元包括方形外观，所述方形外观是由亚克力板拼接和铜柱5立体固定而成，上置显示单元和动力单元；所有的所述支撑杆底端共同固定有支撑平台，所述支撑平台下端面安装有主控单元、拉力传感器单元、重力传感器单元和电池9箱。
33.所述主控单元为arduino单片机8，所述arduino单片机8固定于下层亚克力板上方。
34.所述拉力传感器单元包括拉力传感器2，通过hx711转换器7与arduino单片机8相连，记录物体所受摩擦力数据。
35.所述重力传感器单元设有重力传感器6，所述重力传感器6嵌于上层亚克力板并通过hx711转换器7与arduino单片机8相连，记录物体重力数据。
36.所述显示单元设置oled显示屏1,三行数据分别显示重力数据、摩擦力数据以及摩擦力系数数据。
37.一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，装置共包含五个单元，主控单元、传感器单元、动力单元、显示单元、外部封装单元。主控单元通过调用arduino单片机8内置例程达到对整个仪器的总体控制。传感器单元采用拉力传感器2和重力传感器6，将物理信号转换为电信号。动力单元并通过连接舵机4带转轮做稳定的匀速圆周运动，通过细线带动并保持物体做匀速直线运动。显示单元使用oled显示屏1，当摩擦力达到稳定值时使显示屏直接显示摩擦力大小。外部封装单元对装置进行一体化设计与组装，并将展品进行了一体化的封装。
38.为了能够使主控单元控制的显示模块准确地得到物体所受摩擦力的大小，即与物体相连的细线另一端受到的拉力，我们使得各个模块相互之间独立，并且具备统一的接口连接以及机械连接结构，形成统一的标准化模块部件。
39.从而完成了将外力变换为电信号的过程。测量并记录拉力传感器2和重力传感器6的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
40.所述动力单元应用舵机4来实现。主要目的是控制内部转轮，使其保持匀速转动，从而带动物体做匀速直线运动。并通过激光对亚克力板打印，设计并打印出中间带有凹槽
的转轮，镶嵌于舵机4舵盘上，带动转轮匀速转动。加之细线缠绕，使细线带动物体做匀速直线运动。实现通过舵机4控制带动转轮，转轮带动物体一体化的设计，降低了内部误差产生的因素，保证了物体做匀速运动的前提条件，使测量结果更加精准
41.所述显示单元使用oled显示屏1作业，oled显示屏1是广泛使用的一种字符型液晶显示模块，通过电场驱动，有机半导体材料和发光材料通过载流子注入和复合后显示数据。由于仪器本身主要是通过运用二力平衡的原理来实现的。二力平衡即指物体在两个力的作用下处于平衡状态，那么这两个力是相互平衡的。此单元将显示屏通过杜邦线与拉力传感器2和arduino连接。在单片机的基础上加之显示屏，通过调用其内置例程和电场驱动，当所测摩擦力达到稳定时，仪器通过主控单元与传感器单元感知连接物体与仪器的细线的一端受到的拉力的大小来直接显示物体所受摩擦力的大小。此单元的设计能够避免传统测量过程中对弹簧测力计的读数不准确带来的误差。
42.所述外部封装单元将展品进行了一体化的封装，方便携带，便于储存，使用更加方便。由于测量两物体之间的摩擦力需要根据不同的物体进行相应的调整，因此我们采用可更换底座的的方案，为使用者提供多种可供选择的底板，满足不同条件下的测量需求。
43.本实用新型的工作原理为：
44.使用者首次使用摩擦力测量装置，控制端由电池9供电；
45.使用者打开开关，并将所测量的物体放置于装置本身的重力传感器6上，传感器读取并记录物体重量；
46.使用者将细线与物体相连，将摩擦力测量装置和物体放置于所需测量的对象上，或取样对象表面，打开开关，使舵机4带动物体匀速直线运动，拉力传感器2实时检测拉力数据，得到摩擦力数据；
47.arduino单片机8接收物体重量数据和摩擦力数据，能够得出两物体见摩擦力系数值；
48.使用者可通过oled显示屏1读取数据。第一行数据为物体重力数据，第二行数据为物体所受摩擦力大小数据，第三行数据为物体表面摩擦力系数数据值。
49.关闭开关，测量结束。
50.本实用新型为一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置。arduino单片机8作为摩擦力测量最核心的部分，通过开关对其操控，达到对整个仪器的总体控制，驱动内部舵机4、拉力传感器2以及显示屏从而得到测量数据。极大程度减小传统测量摩擦力数值的误差。
51.转换器的选择上为减少驶入信号的原始误差传出所产生的误差并且还要保证高分辨率。保证转换器的精度与所测量装置的精度相匹配。我们选择选择了hx711转换器7，提高了整机的性能和可靠性。
52.空间结构节点技术，针对与该装置的稳定性与外观设计，经过我们反复优化与实测，最终采用三层叠放性，极大的保证了物体与装置的稳固，同时也保证了仪器的整洁与美观。
53.具有安装维护方便、结构灵活、轻小易携带等特点，适合于点多而分散、地理环境复杂等应用场合。
54.性价比高，一般情况下，实验室对于摩擦力测量的精准度要求相对较高，且通常摩擦力的测量作为实验的中间部分，起到了关键性连接作用，摩擦力测量可以有效的减小人
力作用，自动化的测量可直接精确的反应出测量数据，便捷省时省力不同。经过我们对各种应用场景的分析与调研，发现摩擦力测量可以满足大多数普通使用者的需求，如同初中高中等教学实验室，一些科技馆，作为物理知识普及器材，一些科研场所，辅助科研人员完成相应研究。
55.便于使用与记录数据，摩擦力测量采用模块化的设计，极大程度的降低了生产成本。使用时只需将仪器侧边存线圈中细线取出并系在所需测量的仪器上，打开开关，使舵机4运转，带动内部转轮转动即可使用。因此使用比较便捷，可以减小人力资源。
56.测量精准，相较于传统的摩擦力测量装置，本装置可以在很大程度上降低因不能保证使物体匀速直线运动和读数时的不准确性带来的误差。

技术特征：
1.一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，包括主控单元、传感器单元、动力单元、显示单元和外部封装单元；其特征在于：所述传感器单元包括拉力传感器单元和重力传感器单元；所述主控单元的输入端分别与拉力传感器单元、重力传感器单元、动力单元以及显示单元之间通过电信号连接，用于对整个装置进行控制；所述显示单元通过杜邦线与拉力传感器单元、重力传感器单元和主控单元连接；所述动力单元由圆形转轮（3）与舵机（4）相连而成，所述圆形转轮（3）是由激光切割两片半径相同和一片半径较小的圆形亚克力板相固定而成，所述圆形亚克力板中心切割出十字型镂空用于连接舵机（4）舵盘；所述圆形转轮（3）与舵机（4）相连，舵机（4）两侧均安装一片激光切割直角梯形亚克力板作为支撑杆固定；所述外部封装单元包括方形外观，所述方形外观是由亚克力板拼接和铜柱（5）立体固定而成，上置显示单元和动力单元；所有的所述支撑杆底端共同固定有支撑平台，所述支撑平台下端面安装有主控单元、拉力传感器单元、重力传感器单元和电池（9）箱。2.根据权利要求1所述的一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，其特征在于：所述主控单元为arduino单片机（8），所述arduino单片机（8）固定于下层亚克力板上方。3.根据权利要求1所述的一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，其特征在于：所述拉力传感器单元包括拉力传感器（2），通过hx711转换器（7）与arduino单片机（8）相连，记录物体所受摩擦力数据。4.根据权利要求1所述的一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，其特征在于：所述重力传感器单元设有重力传感器（6），所述重力传感器（6）嵌于上层亚克力板并通过hx711转换器（7）与arduino单片机（8）相连，记录物体重力数据。5.根据权利要求1所述的一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，其特征在于：所述显示单元设置oled显示屏（1）,三行数据分别显示重力数据、摩擦力数据以及摩擦力系数数据。

技术总结
本实用新型公开了一种测量摩擦力大小及摩擦系数的装置，包括主控单元、传感器单元、动力单元、显示单元和外部封装单元；传感器单元包括拉力传感器单元和重力传感器单元；主控单元分别与拉力传感器单元、重力传感器单元、动力单元以及显示单元之间通过电信号连接；显示单元与拉力传感器单元、重力传感器单元和主控单元连接；动力单元由圆形转轮与舵机相连而成，本实用新型测量精准，相较于传统的摩擦力测量装置，本装置可在很大程度上降低因不能保证使物体匀速直线运动和读数时的不准确性带来的误差。来的误差。来的误差。


技术研发人员：郭舒心 刘迪 丁勃文 陈君 马传涛
受保护的技术使用者：泰山学院
技术研发日：2022.10.14
技术公布日：2023/7/23